KR20130143219A - 태양열 발전 및 담수화 시스템 - Google Patents

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Abstract

태양열 발전 및 담수화 시스템이 개시된다. 본 발명의 태양열 발전 및 담수화 시스템은, 해수를 이용한 발전 및 담수화 설비에 있어서, 유체를 가압시키고 태양열로 집열 및 가열하여 과열 유체를 형성시키는 태양열 축열부; 및 해수를 과열 유체와 열교환시켜 생성된 증기로 전력을 생산하고, 배출된 증기를 응축시켜 담수를 생산하는 발전 및 담수 생산부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

태양열 발전 및 담수화 시스템{Electrical Power Generation And Seawater Desalination System Using Solar Energy}
본 발명은 태양열 발전 및 담수화 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 유체를 가압한 후 태양열로 집열 및 가열하여 형성된 과열 유체로 해수를 열교환시켜 생성되는 증기로 전력을 생산하고, 배출된 증기를 응축시켜 담수를 생산할 수 있는 태양열 발전 및 담수화 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 증기 터빈을 이용하는 발전은, 보일러에서 증기를 발생시키고 이러한 증기를 이용하여 터빈을 가동시켜 발전기를 구동시키는 것을 기본 사이클로 한다.
증기 사이클에서 발전기 구동 후 배출된 증기를 복수시키는 것은 증기 사이클 효율과 관련된 중요한 과정이다. 에너지 활용 측면에서 보면 화력 발전기의 경우 투입 연료의 40% 정도만 전기로 변환되고, 13% 정도는 연소과정과 발전기에서 손실된다. 투입 연료의 에너지 중 47% 정도는 증기의 복수 과정에서 냉각수에 흡수되어 폐열로 손실되는데, 이는 열 이용이라는 측면에서뿐만 아니라 표층수보다 고온상태로 배출되는 냉각수에 의한 해양 생태계의 영향이라는 측면에서도 바람직하지 못하다.
따라서 이러한 증기의 열 이용도를 높이기 위해, 복수 과정에 앞서 해수 담수화 장치에 열원으로 활용하는 방법이 종래 개발되어있다.
일반적으로 해수로부터 담수를 분리하는 공정은 에너지원에 따라, 크게 열에너지, 기계/전기에너지, 재생에너지 시스템으로 구분되며, 담수 제조 방식에 따라서는 증발/증류법, 역삼투압법, 냉동법, 전기투석법 등이 있다. 이 중 태양열을 이용한 담수법은 열에너지를 이용하는 방법으로 증발기를 1개 적용한 단효용, 그리고 담수 수율을 높이기 위하여 여러 개의 증발기를 채택한 다단 효용 시스템으로 구분된다. 이러한 다단 시스템은 크게 다단 플래시 증류법(Multi-Stage Flash Distillation, MSF)과 다중효용 증발법(Multi-Effect Evaporation, MED)으로 구분되고 있다. 이러한 방식은 고온의 스팀을 사용하거나 대량의 담수를 제조하는 대형 시스템에 적용되고 있다.
도 1은 종래의 다단 시스템의 해수 담수화 설비의 일 예를 도시한다.
해수 담수화 설비에서 증발기는 여러 개(대략 19 ~ 30개, 도 1은 일부만을 도시한다)의 스테이지로 구성되며, 각각의 스테이지는 응축기(4), 기수분리기(5), 그리고 증발실(3)로 구성되어 있다.
해수 담수화 장치에서 순환 농염수(Recycling Brine)는 농염수 순환펌프(Brine Recirculation Pump)에 의하여 각각의 열회복구간(Heat Rejection Section)의 응축기(4) 내부를 흘러 해수 가열기(Brine Heater, 2)에 유입되어 해수 가열기(2) 튜브 바깥쪽에서 흐르는, 발전설비(1) 등으로부터 공급된 증기에 의해 가열된다.
상기 가열된 순환 농염수는 순차적으로 낮은 압력으로 유지되고 있는 스테이지(Stage)의 증발실(Flash Chamber, 3)로 유입된다. 가열된 순환 농염수가 유입되면 증발실(3) 주변의 낮은 압력으로 인하여 맹렬한 증발이 유도되는데, 이러한 증발 현상은 유입된 순환 농염수가 그 스테이지의 압력에 해당하는 끓는점까지 냉각되는 동안 계속된다. 그리고, 다음 스테이지로 유입되어 이와 같은 과정을 반복하게 되며 점점 농도가 증가한다.
최종 스테이지에 이르러 전체 순환 농염수의 농도를 조정하기 위하여 일부는 농염수 배출펌프(Brine Blowdown Pump) 밖으로 배출된다. 생성된 증기는 기수분리기(Demister, 5)를 지나 포함되어 있을 수 있는 염의 알갱이들을 제거한다. 그리고, 스테이지의 응축기(4)부로 유입되어 튜브 내부를 흐르는 순환 농염수에 의하여 담수로 응축된다.
이러한 종래의 해수 담수화 장치는 열효율을 향상시키기 위해서는 증발기 내의 전열면적과 스테이지 수를 늘려야 하기 때문에, 그에 따라 설치공간을 많이 차지하게 되고, 제작비용이 증대되었을 뿐만 아니라, 해수 가열기의 구동을 위해 화석 연료가 필요하였다. 화력 발전소나 원자력 발전소에 설치되어 이로부터 발생하는 스팀을 이용하는 경우에는, 화석 연료 사용과 이에 따른 환경 오염 문제, 폐기물 발생 문제 등이 따른다. 또한 2011년 동일본 대지진과 이에 따른 후쿠시마 원전 사태에서 볼 수 있듯이 원전 설치에 따른 위험성도 문제된다.
또한 온도가 높지 않은 발전기 스팀을 이용하므로 해수로부터 발생한 수증기의 증기압이 비교적 작아 이를 발전에 이용하기 어려웠기에, 바로 응축시켜 담수화할 수 있을 뿐이었다.
본 발명은 상술한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 유체를 가압한 후 태양열로 집열 및 가열하여 형성된 과열 유체로 해수를 열교환시켜 생성되는 증기로 전력을 생산하고, 배출된 증기를 응축시켜 담수를 생산할 수 있도록 함으로써, 화력이나 원자력 발전소의 스팀을 이용하는 담수화 시스템이 지닌 위험성과 연료 사용에 따른 문제를 해결하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 해수를 이용한 발전 및 담수화 설비에 있어서,
유체를 가압시키고 태양열로 집열 및 가열하여 과열 유체를 형성시키는 태양열 축열부; 및
해수를 상기 과열 유체와 열교환시켜 생성된 증기로 전력을 생산하고, 배출된 증기를 응축시켜 담수를 생산하는 발전 및 담수 생산부를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양열 발전 및 담수화 시스템이 제공된다.
상기 태양열 축열부는 공급되는 유체를 가압하는 가압 펌프와, 상기 가압 펌프에서 공급되는 상기 유체를, 태양열을 집열하여 가열함으로써 상기 과열 유체를 형성시키는 태양열 가열기와, 전기로 구동되어 상기 태양열 가열기에 조사되는 태양광을 차단하는 차단부를 포함할 수 있다.
상기 차단부는 상기 태양열 가열기의 출구 부분에 마련되어 상기 과열 유체의 온도를 측정하는 온도센서와, 상기 온도센서에서 측정된 온도 데이터를 전송받는 제어부와, 상기 제어부의 제어를 받아 상기 태양열 가열기에 조사되는 태양광을 차단하는 스크린을 포함할 수 있다.
상기 태양열 축열부는 상기 태양열 가열기에서 형성된 상기 과열 유체를 저장하는 고온수 탱크와, 상기 고온수 탱크와 상기 발전 및 담수 생산부를 연결하는 유로에 마련되어 상기 과열 유체의 순환을 조절하는 모터구동밸브와, 상기 가압 펌프보다 높게 마련되어 위치 수두 원리로 상기 가압 펌프에 유입되는 상기 유체의 도입 압력을 상승시키는 가압 설비를 더 포함할 수 있다.
상기 가압설비는 상기 가압 펌프보다 높게 마련되며 상기 유체가 저장될 수 있는 가압 탱크와, 상기 가압 탱크 내의 유체가 빠져나갈 경우 형성될 수 있는 진공 상태를 막기 위한 진공 브레이커와, 상기 고온수 탱크와 상기 가압 설비를 연결하는 유로에 마련되어 상기 유체가 상기 고온수 탱크로 역류하는 것을 방지하는 체크밸브를 포함할 수 있다.
상기 발전 및 담수 생산부는 공급받은 상기 해수와 상기 과열 유체와의 열교환으로 증기가 형성되는 증발 탱크와, 상기 증발 탱크로부터 상기 증기를 공급받아 전력을 생산하는 터빈 발전기와, 상기 터빈 발전기에서 배출된 상기 증기를 냉각시켜 담수가 생성되는 복수기를 포함할 수 있다.
상기 발전 및 담수 생산부는 상기 증발 탱크의 내부에 설치되어, 상기 해수와 열교환 작용할 수 있도록 상기 과열 유체가 순환하여 흐르는 열교환 튜브와, 상기 증발 탱크 내의 상기 해수 염도를 감지하는 염도 센서와, 상기 해수가 설정된 농도 이상이 되면 상기 증발 탱크 외부로 배출시키는 배출 펌프를 더 포함할 수 있다.
상기 발전 및 담수 생산부는 상기 복수기에서 생성된 담수가 저장되는 담수 저장탱크와, 상기 복수기 내부에 설치되어 상기 해수가 순환하여 흐르는 냉각용 파이프를 더 포함하되, 상기 복수기에서 상기 냉각용 파이프를 흐르며 상기 수증기와 열교환 작용으로 가열된 상기 해수가 상기 증발 탱크에 공급될 수 있다.
상기 유체는 물 및 해수를 포함하는 군에서 선택될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 의하면, 해수를 이용하여 발전하고 담수화하는 방법에 있어서,
1) 유체를 가압시키고 태양열로 집열 및 가열하여 과열 유체를 형성하는 단계;
2) 해수를 상기 과열 유체와 열교환 작용으로 증발시켜 증기를 생성하는 단계;
3) 상기 증기를 터빈에 공급하여 전력을 생산하는 단계; 및
4) 전력을 생산하고 배출된 상기 증기를 응축시켜 담수를 생산하는 단계를 포함하되,
상기 과열 유체의 온도를 측정하여 기준 온도 이상으로 과열되면 태양광을 차단하여 상기 과열 유체의 온도를 저하시키는 것을 특징으로 하는 태양열 발전 및 담수화 방법이 제공된다.
상기 과열 유체는 위치 수두 원리 및 펌핑으로 유체에 가압함으로써 끓는점을 상승시켜 형성될 수 있다.
본 발명의 태양열 발전 및 담수화 시스템은, 유체를 가압한 후 태양열로 집열 및 가열하여 형성된 과열 유체로 해수를 열교환시켜 생성되는 증기로 전력을 생산하고, 배출된 증기를 응축시켜 담수를 생산할 수 있도록 함으로써, 친환경적이며 안전하고 경제적으로 전기와 담수를 생산하여 공급할 수 있다.
도 1은 종래의 다단 시스템의 해수 담수화 설비를 개략적으로 도시한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양열 발전 및 담수화 시스템을 개략적으로 도시한다.
도 3은 스크린의 작동으로 태양열 가열기로 조사되는 태양광이 차단되는 개념을 개략적으로 도시한다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양열 발전 및 담수화 시스템을 개략적으로 도시한다.
도 2에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 태양열 발전 및 담수화 시스템은, 해수를 이용한 발전 및 담수화 설비에 있어서, 유체를 가압시키고 태양열로 집열 및 가열하여 과열 유체를 형성시키는 태양열 축열부(100)와, 해수를 과열 유체와 열교환시켜 생성된 증기로 전력을 생산하고, 배출된 증기를 응축시켜 담수를 생산하는 발전 및 담수 생산부(200)를 포함한다.
태양열 축열부(100)는 공급되는 유체를 가압하는 가압 펌프(110)와, 가압 펌프(110)에서 공급되는 유체를, 태양열을 집열하여 가열함으로써 과열 유체를 형성시키는 태양열 가열기(120)와, 전기로 구동되어 태양열 가열기(120)에 조사되는 태양광을 차단하는 차단부(130)를 포함할 수 있다.
본 실시예에 기재된 과열 유체란 과열 가스와 과열 액체를 포함하는 개념으로 사용된 것으로서, 여기서 과열 액체란 외부압력의 상승에 따라 끓는점 이상의 온도에 도달하였음에도 기화되지 않고 액체 상태를 유지하는 액체를 말한다.
이는 다음의 원리에 의한 것이다.
보일-샤를의 법칙(Boyle-Charles' Law)은 온도가 일정할 때 기체의 압력은 부피에 반비례한다는 보일의 법칙과 압력이 일정할 때 기체의 부피는 온도의 증가에 비례한다는 샤를의 법칙을 조합하여 만든 법칙으로 온도, 압력, 부피가 동시에 변화할 때 이들 사이의 관계를 나타낸다.
이는 다음과 같은 수식으로 표현된다.
Figure pat00001
위의 식에서 k는 일정하다.
따라서 위의 식을 만족시키려면, 압력이 상승할 경우 이에 따른 온도도 상승해야 함을 알 수 있다.
액체의 끓는점이란, 액체가 증발하면서 발생한 기체의 내부 압력과 외부 압력이 동일하게 되는 온도이고, 이를 위의 식에 적용해보면 외부 압력이 상승하는 경우, 액체의 끓는점도 상승해야 한다는 결론에 도달한다.
본 발명은 이러한 압력 상승에 의한 끓는점 오름 원리를 이용한다. 즉 가압 펌프(110)를 통해 압력을 상승시켜 유체의 끓는점을 높이고, 태양열로 집열 및 가열하여 유체를 원래의 끓는점 이상으로 가열된 과열 유체를 형성시킨 후 이를 해수와 열교환시켜 증기를 생성하여 발전에 이용하고 담수화한다.
차단부(130)는 태양열 가열기(120)의 출구 부분에 마련되어 과열 유체의 온도를 측정하는 온도센서(131)와, 온도센서(131)에서 측정된 온도 데이터를 전송받는 제어부(132)와, 제어부(132)의 제어를 받아 태양열 가열기(120)에 조사되는 태양광을 차단하는 스크린(133)을 포함할 수 있다.
증기 생성을 위한 열원으로 쓰이기 위해 과열 유체는 상당한 온도로 가열되어야 한다. 그러나 지나치게 가열되어 과열 유체의 온도가 필요 이상으로 과열되면, 각종 기기나 설비의 이상 내지 손상을 일으킬 수 있다. 따라서 본 실시예는 이러한 과열 유체의 지나친 과열을 막기 위해 차단부(130)를 구비한다.
차단부(130)의 온도센서(131)에서 태양열 가열기(120) 출구 측 과열 유체의 온도를 측정하여 기준 온도 이상임이 감지되면, 제어부(132)에서 온도 데이터를 기준으로 스크린(133)을 작동시켜 태양열 가열기(120)에 조사되는 태양광을 차단함으로써 과열 유체가 추가로 가열되는 것을 막는다.
스크린(133)은 전기 모터로 작동되며, 태양광의 차단에 적합한 소재로 제작될 수 있다. 스크린(133)은 과열 유체의 온도를 저하시키는 기능도 하지만, 전기나 담수를 생산하지 않는 동안 태양열 가열기(120)를 오염이나 손상되지 않도록 외부환경으로부터 보호하는 기능도 할 수 있다. 스크린(133)의 태양광 차단 및 오염방지 기능을 위해 적합한 특수 코팅 소재로 표면을 코팅하는 것도 가능하다.
태양열 축열부(100)는 태양열 가열기(120)에서 형성된 과열 유체를 저장하는 고온수 탱크(140)와, 고온수 탱크(140)와 발전 및 담수 생산부(200)를 연결하는 유로에 마련되어 과열 유체의 순환을 조절하는 모터구동밸브(150)와, 가압 펌프(110)보다 높게 마련되어 위치 수두 원리로 가압 펌프(110)에 유입되는 유체의 도입 압력을 상승시키는 가압 설비를 더 포함할 수 있다.
고온수 탱크(140)의 설치로 인해, 태양열을 이용하여 과열 유체를 형성하기 어려운 상황, 예를 들어 야간이나 장마철 등 일조량이 충분치 않은 경우에도 안정적으로 과열 유체를 공급하여 발전하고 담수를 생산할 수 있다. 고온수 탱크(140)는 보온을 위해 단열성을 지닌 진공 탱크와 같은 형태일 수 있고, 고온수 탱크(140)의 단열성을 높이기 위해 적합한 단열재가 추가될 수 있다.
가압설비(160)는 가압 펌프(110)보다 높게 마련되며 유체가 저장될 수 있는 가압 탱크(161)와, 가압 탱크(161) 내의 유체가 빠져나갈 경우 형성될 수 있는 진공 상태를 막기 위한 진공 브레이커(미도시)와, 고온수 탱크(140)와 가압 설비를 연결하는 유로에 마련되어 유체가 고온수 탱크(140)로 역류하는 것을 방지하는 체크밸브(162)를 포함할 수 있다.
위치 수두란 유체가 지닌 포텐셜 에너지, 즉 위치 에너지를 말한다. 즉, 본 실시예에서 가압 탱크(161)를 가압 펌프(110)보다 높게 배치함으로써 가압 탱크(161) 내에 저장된 유체가 높이에 따른 위치 에너지를 가지게 되고, 이러한 저장 유체의 위치 에너지를 통해 가압 펌프(110)로 유입되는 유체의 도입 압력이 상승하는 것을 위치 수두 원리라 할 수 있다.
가압 설비의 설치 높이에 따라 위치 수두에 의한 가압 효과는 달라질 수 있으므로, 시스템의 규모와 위치 수두에 의한 가압 효과를 고려하여 가압 탱크(161)의 설치 높이와 설비 규모를 선택할 수 있다.
본 발명의 태양열 축열부(100)를 통해 형성되는 고온수의 온도는, 일 예로 도입된 유체가 물인 경우 임계점은 225.56 kgf/㎠, 374.15℃이므로, 이론상 100℃를 초과하여 최고 370℃까지가 될 수 있다.
바람직하게는, 해수와의 열교환을 위해서는 고온수는 최소한 110℃ 이상이라고 가정하면, 110℃에서 증기의 포화압력은 1.465 kgf/cm2 정도이며, 이것을 수두로 나타내면 14.65m 정도이다. 이러한 값에서 대기압에서의 수두 값인 10.33m를 빼면, 약 4.32 m 정도이므로, 가압설비(160) 내부 유체의 상부의 위치는 4m 이상으로 계산된다.
유체 상부 위치의 최대치는, 임계점 부근인 370℃에서의 포화증기압이 214.69 kgf/cm2으로, 이것을 수두로 나타내면 2146.9 m이다. 현실적으로 가압 설비를 2 ㎞높이에 설치하는 것은 어렵다고 판단되므로 수두를 약 100 m로 가정하여, 포화증기압을 10 kgf/cm2로 하면, 이때의 포화온도는 약 180℃ 정도로 해수 증발에 충분한 열원으로 사용할 수 있다.
이런 높이를 갖추기 어렵다면, 가압 펌프(110)의 토출압을 높이거나 가압 탱크(161) 내부의 압력을 높임으로써 위치 수두에 따른 가압 효과를 보완할 수 있다.
가압 탱크(161)는 위치 수두를 가지도록 유체와 공기, 유체와 증기, 유체와 가압용 기체로 채워질 수 있다.
가압용 기체는 질소, 헬륨 등과 같은 불활성 내지 비폭발성 기체로 이루어질 수 있다.
가압 탱크(161)는 위치 수두로 가압 펌프(110)에 유입되는 유체의 도입 압력을 높일 수 있을 뿐만 아니라, 유체가 펌프로 유입되면서 유로 내에서 맥동 현상(surging)이 발생하더라도 이를 일정부분 흡수함으로써 배관이나 펌프를 비롯한 장치의 손상을 방지할 수 있다.
여기서 맥동 현상이란, 펌프가 운전중에 한숨을 쉬는 것과 같은 상태가 되어 흡입과 토출의 진공계, 압력계의 지침이 흔들리는 동시에 토출 유량이 변화하는 현상, 즉 송출 유량과 송출압력 사이에 주기적인 변동이 일어나는 현상이다. 맥동 현상은 펌프의 특성, 회전체의 관성모멘트, 회전체의 저항, 관로 내의 양액의 관성 등이 조합됐을 때 자동 진동을 일으키는 현상이며, 이로 인해 펌프의 운전이 원활하지 않게 될 뿐 아니라 운전 불능이 발생하는 경우도 있다.
본 실시예는 이러한 맥동 현상을 일정 부분 흡수할 수 있어, 시스템 손상을 방지할 수 있다.
또한 본 실시예는 가압 설비를 채택함으로써 펌프의 공동현상 발생을 방지할 수 있다.
공동현상이란 유체 속에서 압력이 낮은 곳이 생기면 유체 속에 포함되어 있는 기체가 유체에서 빠져나와 압력이 낮은 곳에 모이는데, 이로 인해 유체가 없는 빈 공간이 생긴 것을 가리킨다.
이러한 공동현상을 차단하기 위해서는 펌프에서 유체의 흡입 수두는 유효 흡입 수두보다 작은 값으로만 해야 하는데, 가압 설비는 펌프의 유효 흡입 수두를 높임으로써 공동현상 발생을 억제할 수 있다.
또한 압력이 증기압보다 낮아지면 액체가 기화하거나 또는 녹아 있던 공기 등이 기포로 되기 때문에 공동이 발생하는데, 가압 설비는 포화 증기압을 높이는 작용도 하므로 이에 의해서도 공동 현상 발생을 억제하게 된다.
한편으로 본 실시예는 가압 설비의 도입으로 위치 수두에 의한 가압 효과를 가짐으로써 가압 펌프(110)의 용량 및 가동을 줄일 수 있어, 가압 펌프(110) 설치 및 가동에 따른 전력 소비를 감소시킬 수 있다.
발전 및 담수 생산부(200)는 공급받은 해수와 과열 유체와의 열교환으로 증기가 형성되는 증발 탱크(210)와, 증발 탱크(210)로부터 증기를 공급받아 전력을 생산하는 터빈 발전기(220)와, 터빈 발전기(220)의 증기터빈(미도시)에서 배출된 증기를 냉각시켜 담수가 생성되는 복수기(230)를 포함할 수 있다.
위치 수두와 펌핑으로 가압하여 태양열로 가열시킨 과열 유체는 전술한 바와 같이 상당한 고온 상태이므로, 이와 열교환으로 생성되는 증기는 충분한 증기압을 지니게 된다. 따라서 증기의 증기압이 낮은 종래의 담수화 장치와는 달리, 충분한 증기압을 지닌 증기로 터빈 발전기(220)를 통해 전력을 생산하는 것이 가능하다. 형성된 증기의 증기압은, 과열 유체의 온도 및 유속, 증발 탱크(210)에 공급된 해수의 양 등의 요인에 따라 달라질 수 있으므로, 이들 요인을 조절하여 터빈 발전기(220) 구동을 위한 증기압을 지닌 증기를 형성시킬 수 있다.
발전 및 담수 생산부(200)는 증발 탱크(210)의 내부에 설치되어, 해수와 열교환 작용할 수 있도록 과열 유체가 순환하여 흐르는 열교환 튜브(240)와, 증발 탱크(210) 내의 해수 염도를 감지하는 염도 센서(250)와, 해수가 설정된 농도 이상이 되면 증발 탱크(210) 외부로 배출시키는 배출 펌프(미도시)를 더 포함할 수 있다.
증발 탱크(210)에서는 과열 유체가 열교환 튜브(240)를 순환하여 흐르면서 해수와 열교환을 통해 증발되어 증기가 형성되고, 형성된 증기는 증발 탱크(210) 상부에서 유로를 따라 터빈 발전기(220)로 공급되어 터빈 발전기(220)를 구동시키며 전력이 생산된다. 터빈 발전기(220)를 구동시키고 난 후 증기는 복수기(230)로 유입되어, 복수기(230)에서 냉각 응축되면서 담수를 생성한다.
한편, 과열 유체와 열교환으로 증기가 생성되면서, 도입된 해수의 염도는 점점 높아지다가 결국 소금이 형성되게 된다. 이러한 소금 결정은 설비의 작동 이상을 초래할 수 있으므로, 적절히 제거되거나 사전에 소금 결정의 형성을 차단해야 한다. 따라서 본 실시예는 염도 센서(250)를 통해 증발 탱크(210) 내 해수 염도를 감지하여, 일정한 농도 이상이 되면 농축된 염수를 탱크 외부로 배출시킨다.
발전 및 담수 생산부(200)는 복수기(230)에서 생성된 담수가 저장되는 담수 저장탱크(260)와, 복수기(230) 내부에 설치되어 해수가 순환하여 흐르는 냉각용 파이프(270)를 더 포함하되, 복수기(230)에서 냉각용 파이프(270)를 흐르며 수증기와 열교환 작용으로 가열된 해수가 증발 탱크(210)에 공급될 수 있다.
복수기(230)에 마련된 냉각용 파이프(270)를 냉각용 해수가 순환하여 흐르면서, 복수기(230) 내로 도입된 증기와 열교환으로 냉각 응축시켜 담수를 생산하게 되고, 이러한 열교환으로 가열된 냉각용 해수는 증발 탱크(210)에 공급되어 담수 생산을 위한 해수로 사용된다. 냉각수로 사용된 해수는 열교환을 통해 가열되므로 이를 증발 탱크(210)에 공급하면 효과적으로 수증기를 형성시킬 수 있어, 보다 효율적인 시스템 운영이 가능하다. 다만 복수기(230)에서 냉각수로 사용되고 배출되는 해수의 온도가 표층수의 온도가 낮은 경우에는, 표층수를 취수하여 바로 증발 탱크(210)로 보낼 수도 있다.
유체는 물 및 해수를 포함하는 군에서 선택될 수 있다.
해수 등 몰랄 농도가 높은 유체를 선택한다면 이에 의한 끓는점 오름 효과 또한 있으므로, 보다 효과적으로 과열유체를 형성시킬 수 있을 것이다.
본 발명의 다른 측면에 의하면, 해수를 이용하여 발전하고 담수화하는 방법에 있어서,
1) 유체를 가압시키고 태양열로 집열 및 가열하여 과열 유체를 형성하는 단계;
2) 해수를 과열 유체와 열교환 작용으로 증발시켜 증기를 생성하는 단계;
3) 증기를 터빈에 공급하여 전력을 생산하는 단계; 및
4) 전력을 생산하고 배출된 증기를 응축시켜 담수를 생산하는 단계를 포함하되,
과열 유체의 온도를 측정하여 기준 온도 이상으로 과열되면 태양광을 차단하여 과열 유체의 온도를 저하시키는 것을 특징으로 하는 태양열 발전 및 담수화 방법이 제공된다.
과열 유체는 위치 수두 원리 및 펌핑으로 유체에 가압함으로써 끓는점을 상승시켜 형성될 수 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 실시예의 태양열 발전 및 담수화 시스템은, 유체를 가압한 후 태양열로 집열 및 가열하여 형성된 과열 유체로 해수를 열교환시켜 생성되는 증기로 전력을 생산하고, 배출된 증기를 응축시켜 담수를 생산할 수 있도록 함으로써, 화석 연료나 원자력 에너지를 요하지 않고 오염물질을 배출하지 않는 친환경적이고 안전하며 경제적인 전기와 담수 생산이 가능하게 된다. 또한 증기가 응축된 담수는 상당한 고온일 수 있으므로, 가정용 온수나 지역 난방의 열원으로도 공급할 수 있을 것이다.
태양열을 이용해 형성된 과열 유체를 저장해두었다가 일조량이 부족한 장마철이나 겨울에도 해수 발전 및 담수화에 사용할 수 있음으로써 계절이나 일조량 변화에 무관하게 안정적으로 전력 및 담수를 생산할 수 있다.
전기와 담수를 공급받기 어려운 반면 해수의 취수는 용이하고 일조량이 풍부한 도서 지역이나 해안지역 등에 본 실시예의 시스템을 마련함으로써 지속적이고 경제적으로 전기와 담수를 공급할 수 있을 것으로 기대된다.
이와 같은 본 발명은 기재된 실시 예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형될 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정 예 또는 변형 예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.
100: 태양열 축열부
110: 가압 펌프
120: 태양열 가열기
130: 차단부
131: 온도센서
132: 제어부
133: 스크린
140: 고온수 탱크
150: 모터구동밸브
160: 가압설비
161: 가압 탱크
162: 체크밸브
200: 발전 및 담수 생산부
210: 증발 탱크
220: 터빈 발전기
230: 복수기
240: 열교환 튜브
250: 염도 센서
260: 담수 저장탱크
270: 냉각용 파이프

Claims (11)

  1. 해수를 이용한 발전 및 담수화 설비에 있어서,
    유체를 가압시키고 태양열로 집열 및 가열하여 과열 유체를 형성시키는 태양열 축열부; 및
    해수를 상기 과열 유체와 열교환시켜 생성된 증기로 전력을 생산하고, 배출된 증기를 응축시켜 담수를 생산하는 발전 및 담수 생산부를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양열 발전 및 담수화 시스템.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 태양열 축열부는
    공급되는 유체를 가압하는 가압 펌프;
    상기 가압 펌프에서 공급되는 상기 유체를, 태양열을 집열하여 가열함으로써 상기 과열 유체를 형성시키는 태양열 가열기; 및
    전기로 구동되어 상기 태양열 가열기에 조사되는 태양광을 차단하는 차단부를 포함하는 태양열 발전 및 담수화 시스템.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 차단부는
    상기 태양열 가열기의 출구 부분에 마련되어 상기 과열 유체의 온도를 측정하는 온도센서;
    상기 온도센서에서 측정된 온도 데이터를 전송받는 제어부; 및
    상기 제어부의 제어를 받아 상기 태양열 가열기에 조사되는 태양광을 차단하는 스크린을 포함하는 태양열 발전 및 담수화 시스템.
  4. 제 2항에 있어서, 상기 태양열 축열부는
    상기 태양열 가열기에서 형성된 상기 과열 유체를 저장하는 고온수 탱크;
    상기 고온수 탱크와 상기 발전 및 담수 생산부를 연결하는 유로에 마련되어 상기 과열 유체의 순환을 조절하는 모터구동밸브; 및
    상기 가압 펌프보다 높게 마련되어 위치 수두 원리로 상기 가압 펌프에 유입되는 상기 유체의 도입 압력을 상승시키는 가압 설비를 더 포함하는 태양열 발전 및 담수화 시스템.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 가압설비는
    상기 가압 펌프보다 높게 마련되며 상기 유체가 저장될 수 있는 가압 탱크;
    상기 가압 탱크 내의 유체가 빠져나갈 경우 형성될 수 있는 진공 상태를 막기 위한 진공 브레이커; 및
    상기 고온수 탱크와 상기 가압 설비를 연결하는 유로에 마련되어 상기 유체가 상기 고온수 탱크로 역류하는 것을 방지하는 체크밸브를 포함하는 태양열 발전 및 담수화 시스템.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 발전 및 담수 생산부는
    공급받은 상기 해수와 상기 과열 유체와의 열교환으로 증기가 형성되는 증발 탱크;
    상기 증발 탱크로부터 상기 증기를 공급받아 전력을 생산하는 터빈 발전기; 및
    상기 터빈 발전기에서 배출된 상기 증기를 냉각시켜 담수가 생성되는 복수기를 포함하는 태양열 발전 및 담수화 시스템.
  7. 제 6항에 있어서, 상기 발전 및 담수 생산부는
    상기 증발 탱크의 내부에 설치되어, 상기 해수와 열교환 작용할 수 있도록 상기 과열 유체가 순환하여 흐르는 열교환 튜브;
    상기 증발 탱크 내의 상기 해수 염도를 감지하는 염도 센서; 및
    상기 해수가 설정된 농도 이상이 되면 상기 증발 탱크 외부로 배출시키는 배출 펌프를 더 포함하는 태양열 발전 및 담수화 시스템.
  8. 제 6항에 있어서, 상기 발전 및 담수 생산부는
    상기 복수기에서 생성된 담수가 저장되는 담수 저장탱크; 및
    상기 복수기 내부에 설치되어 상기 해수가 순환하여 흐르는 냉각용 파이프를 더 포함하되, 상기 복수기에서 상기 냉각용 파이프를 흐르며 상기 수증기와 열교환 작용으로 가열된 상기 해수가 상기 증발 탱크에 공급되는 것을 특징으로 하는 태양열 발전 및 담수화 시스템.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 유체는 물 및 해수를 포함하는 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 태양열 발전 및 담수화 시스템.
  10. 해수를 이용하여 발전하고 담수화하는 방법에 있어서,
    1) 유체를 가압시키고 태양열로 집열 및 가열하여 과열 유체를 형성하는 단계;
    2) 해수를 상기 과열 유체와 열교환 작용으로 증발시켜 증기를 생성하는 단계;
    3) 상기 증기를 터빈에 공급하여 전력을 생산하는 단계; 및
    4) 전력을 생산하고 배출된 상기 증기를 응축시켜 담수를 생산하는 단계를 포함하되,
    상기 과열 유체의 온도를 측정하여 기준 온도 이상으로 과열되면 태양광을 차단하여 상기 과열 유체의 온도를 저하시키는 것을 특징으로 하는 태양열 발전 및 담수화 방법.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 과열 유체는 위치 수두 원리 및 펌핑으로 유체에 가압함으로써 끓는점을 상승시켜 형성되는 것을 특징으로 하는 태양열 발전 및 담수화 방법.
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